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压电驱动式光纤Bragg光栅电流传感器的研究

王振  
【摘要】:电流是电力设备进行计量、监控和保护的重要参量,对其准确测量是电力系统安全、稳定、可靠和经济运行的保证。传统高压电流互感器普遍存在体积大、重量重、频带窄、易饱和、造价高、运输与安装困难等问题。在实际运用中,电子式电流互感器比传统电磁式互感器具有众多优势,然而,无源电子式电流互感器在设计和制造工艺、稳定性、一致性等问题上存在较大难度,难以广泛推广使用;有源电子式电流互感器的传感模块放置在高压端,供电和维修是最大问题,同时也易受到电磁干扰影响。 光纤Bragg光栅传感器除了具有普通光纤传感器的许多优点外,更重要的是它的传感信号为波长调制:抗干扰性更强、无需参考点、体积小、分布式的高分辨力和大范围测量等。国内外的光纤Bragg光栅电流传感器研究,把Bragg光栅作为传感元件,受敏感材料或换能元件的性能限制、加工工艺复杂、响应时间长、环境的影响大以及Bragg光栅的温度和应变交叉敏感等问题,致使测量电流范围有限、灵敏度不高、线性误差大。 本文涉及两种压电驱动式光纤Bragg光栅电流传感器的设计、研制和测试,部分测试依据国家技术规范JJG313-2010《测量用电流互感器检定规程》。主要研究内容如下: 1、分别设计了基于Rogowski线圈和基于铁心线圈低功率电流互感器(LPCT)为一次测量元件并结合叠堆型压电陶瓷为换能元件的光纤Bragg光栅电流传感器,增加温补光栅消除环境温度的影响;对传感器的各个组成部分进行了理论分析并建立了传感器的电流测量模型。 2、研制和选型了两种电流传感器所需要的不同零部件,利用实验室设备、合适的粘贴胶以及加工工艺对传感器进行了组装。计算推导出了传感器的理论灵敏度和分辨力:基于Rogowski线圈的电流传感器灵敏度为0.0756pm/A,分辨力为13.23A;基于LPCT的电流传感器灵敏度为0.0567pm/A,分辨力为17.64A。 3、针对两种传感器及其零部件的测试条件不同,搭建了满足功能要求的测试系统并进行了实验,由于条件限制,仿真了LPCT的电流传感器测试。在实验过程中,充分考虑了传感器的零漂、实验数据的误差及其实验过程中的人身安全。最后,通过实验数据的融合分析,验证了波长变化与电流大小的对应关系,发现温度对电流传感器的影响比较大,计算出来两种传感器的各项静态指标。 4、对Rogowski线圈和积分器组成的一次测量元件测试,结果表明:Rogowski线圈的输入-输出呈线性关系,线性度为1;灵敏度为0.0079V/A,准确度等级0.2,符合测量用电流互感器的要求;对测量用Bragg光栅、温补Bragg光栅和叠堆型压电陶瓷组成的传感元件测试,结果表明:Bragg光栅的中心波长与驱动电压呈线性关系,线性度0.96;灵敏度约为8.67pm/V。 5、对基于Rogowski线圈的电流传感器进行测试,将测量光栅与温补光栅的波长数据融合分析,结果表明:非线性误差为3.47%FS,灵敏度为0.0702pm/A,重复性为4.16%FS。对仿真LPCT的电流传感器测试,将测量光栅与温补光栅的波长数据融合分析,结果表明:非线性误差为7.27%FS,灵敏度为12.123pm/V,重复性为7.69%FS。


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